Конечные продукты избыточного гликозилирования как потенциальная мишень «выключения» метаболической памяти

Сахарный диабет остается широко распространенной медико-социальной проблемой. Несмотря на достигнутые успехи в лечении заболевания – разработку новых сахароснижающих средств, достижение успешного контроля гликемии и определение маркеров уровня гликемии, у большинства пациентов развиваются серьезные поражения органов-мишеней, приводящие к тяжелым осложнениям. Остается открытым вопрос, способен ли строгий контроль гликемии при диабете предотвратить развитие осложнений? В частности, в обширном исследовании ADVANCE было выявлено, что строгий контроль гликемии при сахарном диабете (СД) 2 типа приводил только к уменьшению частоты возникновения нефропатии, при этом частота развития ретинопатии и макрососудистых осложнений не снижалась [1]. Результаты другого масштабного исследования ACCORD продемонстрировали, что строгий гликемический контроль привел к росту летальности среди пациентов, страдающих СД 2 типа [2]. 

В исследовании UKPDS не было выявлено достоверного влияния жесткого гликемического контроля на инфаркт миокарда [3], однако в последующем периоде наблюдения в ходе того же исследования был подтвержден положительный эффект долговременной нормогликемии в предотвращении сердечно-сосудистых заболеваний при СД 2 типа [4]. Тем не менее данный вопрос представляется более сложным. По всей видимости, развитие осложнений не всегда можно предотвратить строгим гликемическим контролем. Перспективным направлением является подход, основанный на предположении, что гипергликемия оказывает долговременный повреждающий эффект при сахарном диабете как 1, так и 2 типов и что строгий гликемический контроль, если он не обеспечивается на очень ранних стадиях заболевания, не является достаточным для полного предотвращения осложнений. 

 
В основе данной гипотезы лежит представление о феномене метаболической памяти, которое заключается в том, что ранний гликемический фон «запоминается» в тканях и органах-мишенях (сетчатка глаз, почки, сердце, периферические нервы). Первые данные, подтвердившие существование метаболической памяти, были получены в опытах на животных [5] при изучении клеток сетчатки собак, одна группа которых была переведена на строгий контроль гликемии после двухмесячного, а другая – после 2,5-летнего периода гипергликемии. Исследование сетчатки проводилось через 5 лет после начала эксперимента. Парадоксально, что у животных, у которых контроль гликемии начался через 2 месяца, наблюдались незначительные признаки ретинопатии, так же как и у животных с контролем гликемии на протяжении всего периода исследования. В то же время у собак, которые были переведены на строгий гликемический контроль через 2,5 года, частота ретинопатии была сходной с уровнем ретинопатии собак, находившихся в состоянии гипергликемии все 5 лет.

Термин «метаболическая память» имеет несколько синонимов – гликемическая память, гипергликемическая память, наследственный эффект и др. [6, 7]. Клиническое подтверждение феномена метаболической памяти было получено в ходе масштабного клинического исследования СД 1 типа DCCT (Diabetes Complications and Control Trial) и последующего исследования EDIC (Epidemiology of Diabetes Interventions and Complications). В ходе DCCT пациенты с сахарным диабетом 1 типа были разделены на 2 группы  – интенсифицированной инсуинотерапии и традиционной терапии, направленной на нормализацию гликемии [8]. В дальнейшем в ходе исследования EDIC, проводимого на той же популяции пациентов, было выявлено, что среди участников, которым проводилась стандартная терапия в ходе DCCT, распространенность микрососудистых осложнений, таких как нефропатия и ретинопатия, была выше по сравнению с пациентами группы интенсифицированной терапии, хотя через 6,5 лет все участники исследования были переведены на интенсифицированную терапию. Другой интересный факт – в обеих группах средний уровень гликированного гемоглобина был практически эквивалентным. Кроме того, недавние результаты EDIC подтверждают долговременное влияние раннего гликемического контроля на прогрессирование макрососудистых осложнений и сердечно-сосудистых заболеваний.

Феномен метаболической памяти также был выявлен при сахарном диабете 2 типа по результатам исследования UKPDS (U.K. Prospective Diabetes Study). У пациентов с СД 2 типа, которые находились на стандартной терапии в течение исследования, уровень микрососудистых и сердечно-сосудистых осложнений был выше по сравнению с больными, получавшими интенсивную терапию [4]. Повреждающее влияние гипергликемии на клеточном уровне реализуется с помощью четырех хорошо известных механизмов: индукция полиолового пути, реализуемого через фермент альдозоредуктазу [9]; увеличение формирования конечных продуктов избыточного гликозилирования (AGE); активация протеинкиназы С; активация гексозаминового пути [10]. В перечисленные реакции наряду с глюкозой включаются продукты метаболического гликолиза – фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат (рис. 1).

Значимость каждого из перечисленных механизмов была неоднократно подтверждена в ходе исследований на животных с использованием различных ингибиторов того или иного пути биохимических реакций, что позволило предотвратить диабетические осложнения [11]. Однако проблема заключалась в том, что, несмотря на очевидные успехи применения ингибиторов в экспериментах на животных, при использовании тех же препаратов в лечении пациентов результаты были крайне неудовлетворительными. В ходе дальнейших исследований было установлено, что все четыре патологические реакции запускаются в ответ на повышенную продукцию супероксид-аниона в дыхательной цепи митохондрий – процесс, индуцированный гипергликемией [10]. Образование супероксида происходит под влиянием повышенной внутриклеточной концентрации глюкозы, нарушения работы компонентов дыхательной цепи митохондрий и переноса электронов на молекулу кислорода. Если генерация большого количества супероксид-аниона – это ключевой процесс в развитии диабетических осложнений, то насколько важную роль он играет в феномене метаболической памяти? Супероксид, как и большинство реактивных молекул (радикалов), обладает очень коротким периодом полураспада – не дольше минуты, тогда как гликемическая память может длиться годами. 

На самом деле мишенями для супероксид-ионов и других радикалов служат нуклеиновые кислоты, белки, липиды и липопротеиды с долгим периодом полураспада. Эти молекулы, поврежденные радикалами, способны нарушать работу клеток в течение долгого времени [12]. Соединение 3-нитрозин, продукт взаимодействия свободных радикалов с клеточными протеинами, может служить важным маркером окислительного стресса при осложнениях диабета [13]. Данное вещество было использовано в многочисленных экспериментах на животных моделях, где была продемонстрирована роль оксидативного стресса в формировании гликемической памяти. Например, R.A. Kowluru и соавт. установили, что у крыс со стрептозотоцин-индуцированным диабетом нормализация уровня гликемии в течение 6 месяцев вслед за 6-месячным периодом гипергликемии не приводила к достоверному снижению уровня 3-нитрозина в клетках сетчатки, так же как и у животных, у которых гипергликемия поддерживалась на протяжении всего исследования [14].

Наряду с оксидативным стрессом митохондрии клеток подвержены другому негативному воздействию гипергликемии – гликированию митохондриальных протеинов. В частности, установлено, что уровень метилглиоксаля – высокореактивного побочного продукта гликолиза – оказывается повышенным у пациентов, страдающих диабетом. Метилглиоксаль, реагируя с белками и нуклеиновыми кислотами клетки, образует так называемые конечные продукты избыточного гликозилирования – advanced glycation end-products (AGE). AGE-продукты играют ключевую роль в развитии диабетических осложнений [15]. Гликирование белков дыхательной цепи митохондрий приводит к нарушению ее работы и поддержанию образования избытка супероксид-ионов независимо от уровня гликемии. Кроме того, формирование AGE-продуктов в структуре митохондрий, будучи необратимым процессом, также может объяснять длительное существование метаболической памяти. 

Показано, что у больных диабетом уровень AGE-продуктов в тканях повышен по сравнению со здоровыми людьми. Причем у пациентов с диабетом без осложнений уровень AGE-продуктов повышен на 20–30%, а при диабете в сочетании с сердечно-сосудистыми осложнениями или микроальбуминурией – на 40–100% по сравнению со здоровыми людьми [16]. В ходе исследования EDIC уровень AGE-продуктов, определяемый путем биопсии кожи, достоверно коррелировал с распространенностью ретинопатии и нефропатии [17]. В отличие от гликированного гемоглобина, который при снижении гликемии подвергается частичному энзиматическому дегликозилированию, уровень других AGE-продуктов не зависит от текущего уровня глюкозы. Кроме непосредственного участия AGE-продуктов, в формировании метаболической памяти играют роль их рецепторы, в частности тип рецепторов, известный под названием RAGE, который относится к суперсемейству иммуноглобулинов поверхностных клеточных молекул [16]. Связывание AGE и данного рецептора приводит к образованию активных форм кислорода (АФК) с последующей активацией чувствительного к окислению фактора транскрипции NF-κB в сосудистой стенке, регулирующего экспрессию воспалительных и «отвечающих на повреждение» генов, и непосредственно гена RAGE [18]. 

Данные события приводят в конечном итоге к эндотелиальной дисфункции и, как следствие, к вазоконстрикции, воспалительным явлениям, утолщению базальной мембраны и снижению способности к вазодилатации [18, 19]. Негативное действие AGE-продуктов реализуется не только в стенках сосудах, но и в нейронах и даже в костной ткани. В нейронах AGE-продукты провоцируют постепенное разрушение нервных волокон. Гликирование белков дыхательной цепи митохондрий в совокупности с повреждением митохондриальной ДНК могут приводить к образованию новых генераций АФК, персистирующему оксидативному стрессу и клеточному повреждению (рис. 2).

Данный самоподдерживающийся процесс лежит в основе метаболической памяти – ведущего механизма патогенеза диабетических осложнений, который не зависит от текущего уровня гликемии [12]. В этой связи весьма перспективными в плане предотвращения развития осложнений представляются методы «выключения» метаболической памяти. Ранее большие надежды возлагались на применение антиоксидантов, поскольку ключевую роль в механизме повреждения играет оксидативный стресс, однако клиническое применение данных препаратов при диабете не привело к значимым улучшениям [20]. Тем не менее предполагается, что подавление образования AGE-продуктов, экспрессии RAGE и оксидативного стресса в сочетании с нормализацией уровня гликемии эффективно для предотвращения осложнений. 

Патогенетически обоснованным является применение препарата бенфотиамина – производного витамина В1 (тиамина), проявившего способность блокировать развитие биохимических реакций, активируемых супероксид-анионами в ответ на гипергликемию – как в условиях in vitrо, так и in vivo [21, 22]. Бенфотиамин выступает в роли кофактора и активатора транскетолазы – фермента, катализирующего неокислительную стадию пентозофосфатной реакции (рис. 3). Два промежуточных продукта гликолиза – фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат – могут также синтезироваться в результате транскетолазной реакции. Направление данной реакции зависит от концентрации субстрата и активности транскетолазы. Учитывая, что при гипергликемии концентрация фруктозо-6-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата повышена, активация транскетолазы может перенаправить реакцию в сторону образования пентозо-5-фосфата и эритрозо-4-фосфата (рис. 3), исключив при этом 3 патологических пути – гексозаминовый, путь протеинкиназы С и путь формирования AGE-продуктов [10, 23].

Добиться активации транскетолазы можно путем увеличения концентрации кофактора фермента – тиамина. Были протестированы различные варианты химических производных тиамина. Показано, что тиамин активирует транскетолазу эндотелия артерий только на 25%, тогда как его производное – бенфотиамин – на 250%. Жирорастворимая форма тиамина – бенфотиамин – обладает гораздо большей биодоступностью по сравнению с водорастворимой формой. Были получены многочисленные экспериментальные доказательства положительного эффекта бенфотиамина при лечении диабетических крыс. В течение 9 месяцев была достигнута полная блокировка гексозаминового патологического пути в клетках сетчатки, тогда как у нелеченых животных уровень активизации гексозаминовой реакции был выше в 3 раза. Сходные изменения наблюдались в формировании AGE-продуктов, активизации протеинкиназы С и NF-κB [10]. Кроме того, введение бенфотиамина предупреждало развитие экспериментальной ретинопатии [23].

Положительный эффект бенфотиамина в предотвращении и лечении диабетических осложнений был неоднократно продемонстрирован в клинических исследованиях [24–29]. При диабетической нейропатии отмечалось уменьшение выраженности болевого синдрома, парестезий, увеличение скорости проведения импульса по нервному волокну, кроме того, было достигнуто субъективное улучшение самочувствия пациентов. В частности, H. Stracke и соавт. в ходе двойного слепого рандомизированного исследования продемонстрировали достоверное улучшение скорости проведения нервного импульса по малоберцовому нерву, а также статистически значимое снижение порога вибрационной чувствительности. Причем при дальнейшем наблюдении, через 9 месяцев, положительный эффект сохранялся [24]. 

Наиболее известными в изучении эффективности бенфотиамина при диабетической нейропатии являются два рандомизированных плацебоконтролируемых двойных слепых исследования BEDIP и BENDIP. В пилотном исследовании BEDIP, которое продолжалось в течение 3 недель, принимали участие 40 пациентов с СД 1 и 2 типов. В группе пациентов, принимавших бенфотиамин, отмечалось статистически достоверное улучшение показателей по шкале нейропатии, уменьшение боли и улучшение общего самочувствия по сравнению с группой плацебо [25]. В исследование BENDIP был включен 181 пациент, все участники были разделены на 3 группы: терапия бенфотиамином 600 мг/сут, терапия бенфотиамином 300 мг/сут и плацебо. Исследование продолжалось 6 недель. В результате было получено достоверное различие показателей по шкале нейропатии, наибольшие различия шкалы Total Symptom Score были получены по показателю «боль» [26].  Предполагается, что бенфотиамин оказывает положительный эффект и при диабетической ретинопатии – в настоящее время проводятся соответствующие клинические исследования [27].

Другим важным блокатором AGE-продуктов является пиридоксин (витамин В6). Экспериментально была доказана его способность нейтрализовать действие токсичного продукта метилглиоксаля в условиях гипергликемии. В других исследованиях был продемонстрирован положительный эффект пиридоксина в восстановлении синтеза окиси азота в тромбоцитах, нарушенного под воздействием AGE-продуктов [29]. Таким образом, бенфотиамин и пиридоксин представляют собой нейротропные субстанции, способные прервать порочный круг гипергликемической памяти нервного волокна. Одним из наиболее известных препаратов этой группы является нейротропный комплекс Мильгамма композитум («Верваг Фарма», Германия).

Эффективность препарата Мильгамма композитум, содержащего по 100 мг бенфотиамина и пиридоксина, была продемонстрирована в исследовании, проведенном Р.А. Садековым и соавт.: после 6 недель терапии препаратом в дозе 1 драже 3 раза в сутки было достигнуто выраженное снижение боли, по данным визуальной аналоговой шкалы, – с 8,2 до 2,3 баллов, также выявлено достоверное улучшение показателей вибрационной чувствительности и сердечно-сосудистых проб, характеризующих парасимпатический контроль сердечного ритма [28]. Комбинация бенфотиамина и пиридоксина препятствует развитию диабетических неврологических осложнений.

Данные рандомизированного плацебоконтролируемого исследования [30] подтверждают улучшение функционального состояния периферических нервов через 6 недель терапии препаратом Мильгамма композитум: зафиксировано возрастание амплитуды М-ответа с 3,09 ± 1,76 до 4,59 ± 1,97 мВ (р < 0,001) (рис. 4) и скорости распространения возбуждения по двигательным волокнам малоберцового нерва с 42,8 ± 5,0 до 45,9 ± 4,5 м/с (р < 0,05). Кроме того, только в группе Мильгаммы композитум достигнуто возрастание амплитуды потенциала действия с 3,06 ± 2,52 до 5,31 ± 4,31 мкВ (р < 0,001) (рис. 5) и скорости распространения возбуждения по чувствительным волокнам икроножного нерва с 35,2 ± 16,0 до 40,7 ± 13,5 м/с (р < 0,001). Учитывая значимые эффекты бенфотиамина и пиридоксина в блокировании AGE-продуктов, а также доказанную эффективность препарата Мильгамма композитум, можно рекомендовать его для лечения и профилактики как диабетической нейропатии, так и других осложнений сахарного диабета. Оптимальная схема терапии Мильгаммой композитум составляет 1 драже 3 раза в сутки в течение шести недель.